CN105720476B - 基于激光增益突升的高峰值窄脉冲激光器 - Google Patents

基于激光增益突升的高峰值窄脉冲激光器 Download PDF

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Abstract

基于激光增益突升的高峰值窄脉冲激光器，涉及激光器领域，解决了现有调Q激光器存在的激光增益累积有限、激光输出效率低的问题。该激光器包括两个全反镜、1/4波片、两个激光增益介质、两个90度偏振旋转电光开关、两个45度偏振片、输出镜、两个泵浦源。在激光增益突变的瞬间，增益为两个激光增益介质增益之和，此时激光损耗近似于激光增益介质一的增益，激光增益与损耗的差为激光增益介质二的增益。通过调整激光增益介质二的增益可改变激光增益与损耗的差值，实现更高能量的高峰值窄脉冲激光输出。本发明通过光路的快速切换、双激光增益介质增益累加实现增益突升，获得高能量的高峰值窄脉冲激光输出，进一步提高激光器整体的激光输出效率。

Description

基于激光增益突升的高峰值窄脉冲激光器
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种基于激光增益突升的高峰值窄脉冲激光器。
背景技术
自激光器发明以来，窄脉冲激光器在军事、科研、激光加工等领域取得了广泛的应用前景。目前主要采用以下几种方法获得窄脉冲激光：1、调Q技术，其特点是通过调整激光器谐振腔的Q值，使激光晶体积累足够高的增益，然后突然快速增大激光器谐振腔的Q值，使腔内迅速发生激光振荡，积累到较高程度的反转粒子能量会集中在很短的时间间隔内快速释放出来，从而获得窄脉冲宽度和高峰值功率的激光输出；2、腔倒空技术，与调Q技术相比，腔倒空技术的特点是积累腔内光子数，当腔内光子数达到最大时，输出镜反射率由100％降为0，光子迅速倒出腔外。
在激光器系统中，由于激光晶体自发辐射、晶体缺陷、镀膜、电光晶体消光比等原因，激光增益增长与泵浦能量注入并不成线性关系，从而限制着调Q能量的进一步增长，出现调Q能量饱和的情况。所以目前的高峰值窄脉冲激光器都是通过MOPA技术(主控振荡器的功率放大器)途径解决，通过本振调Q激光放大的方式实现高能量激光输出。
目前的调Q激光器中，激光器阈值并不是无限大，激光增益积累有限，限制了高峰值窄脉冲激光的进一步输出。为了获得更高能量的激光输出，通常做法是通过功率放大器来实现，这种做法存在的问题是激光输出效率偏低。
发明内容
为了解决现有调Q激光器存在的激光增益累积有限、激光输出效率低的问题，本发明提供一种基于激光增益突升的高峰值窄脉冲激光器。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
本发明的基于激光增益突升的高峰值窄脉冲激光器，包括：全反镜一、1/4波片、激光增益介质一、90度偏振旋转电光开关一、45度偏振片一、输出镜、90度偏振旋转电光开关二、45度偏振片二、激光增益介质二、全反镜二、泵浦源一和泵浦源二；
所述泵浦源一和泵浦源二发出的泵浦光分别入射至激光增益介质一和激光增益介质二；
在泵浦开始时刻，对90度偏振旋转电光开关一施加半波电压，对90度偏振旋转电光开关二不施加电压，直到激光增益介质一的增益达到激光器谐振腔泵浦阈值时，将90度偏振旋转电光开关一电压退到0，同时对90度偏振旋转电光开关二施加半波电压；
通过45度偏振片一的作用使靠近输出镜的偏振为水平P偏振，水平P偏振光依次经45度偏振片一高透、90度偏振旋转电光开关一、激光增益介质一放大、1/4波片作用后变成圆偏振光，依次经全反镜一反射、1/4波片作用后变成垂直S偏振光，依次经激光增益介质一放大、90度偏振旋转电光开关一、45度偏振片一高反射作用后入射至90度偏振旋转电光开关二，经90度偏振旋转电光开关二的旋转90度作用后变成水平P偏振光，依次经45度偏振片二高透、激光增益介质二放大、全反镜二反射后入射至激光增益介质二，依次经激光增益介质二放大、45度偏振片二高透、90度偏振旋转电光开关二的旋转90度作用后变成垂直S偏振光，经45度偏振片一高反射作用后入射至90度偏振旋转电光开关一；
垂直S偏振光依次经90度偏振旋转电光开关一、激光增益介质一放大、1/4波片作用后变成圆偏振光，依次经全反镜一反射、1/4波片作用后变成水平P偏振光，依次经激光增益介质一放大、90度偏振旋转电光开关一、45度偏振片一高透过作用后入射至输出镜，经输出镜反射再次进入45度偏振片一，按照上述过程完成一次完整振荡，最终通过输出镜输出高峰值窄脉冲激光。
进一步的，在激光增益突变的瞬间，瞬间突升的激光增益为激光增益介质一的增益与激光增益介质二的增益之和，此时激光损耗近似于激光增益介质一的增益，激光增益与损耗的差为激光增益介质二的增益，通过调整激光增益介质二的增益来改变激光增益与损耗的差值，实现更高能量的高峰值窄脉冲激光输出。
进一步的，所述全反镜一和全反镜二表面均均镀有1064nm激光输出波长完全反射膜或946nm激光输出波长完全反射膜。
进一步的，将1/4波片替换为45度法拉第旋转器，所述1/4波片和45度法拉第旋转器均用于激光往返通过时将线偏光偏振方向90度旋转。
进一步的，所述激光增益介质一和激光增益介质二均采用各向同性晶体，具体采用Nd:YAG晶体。
进一步的，所述90度偏振旋转电光开关一和90度偏振旋转电光开关二用于实现线偏光偏振方向90度旋转，均采用LiNbO3、RTP或KD*P，具有实现光路偏振方向主动控制的优点。
进一步的，所述45度偏振片一和45度偏振片二的作用是对水平P偏振光高透、对垂直S偏振光高反，均采用格兰棱镜、布儒斯特片和PBS偏振分光棱镜。
进一步的，所述输出镜表面镀有1064nm部分反射膜。
进一步的，所述泵浦源一和泵浦源二均采用闪光灯或半导体侧面泵浦。
本发明的有益效果是：本发明中，通过插入90度偏振旋转电光开关、45度偏振片一实现光路的快速切换，同时通过插入激光增益介质一和激光增益介质二，双激光增益介质增益累加的方式实现激光器内的增益突升，克服现有激光器性能极限，获得高能量的高峰值窄脉冲激光输出，进一步提高激光器整体的激光输出效率。
现有调Q激光器是通过注入能量来间接提高激光增益，由于调Q性能、晶体缺陷、荧光寿命等因素的限制，激光增益只能积累到一定水平。与以往的调Q技术不同，本发明是通过双晶体增益累加的方式获得高峰值窄脉冲激光输出，激光增益与损耗的差可以通过调整支路的激光增益介质二的增益进行改变，这种激光增益突升的意义在于，可以改善支路激光增益介质二的增益大小，实现主动对激光增益的控制，并且这种双晶体增益累加的方式可以与现有调Q相结合，从而进一步提高激光提取效率。
附图说明
图1为本发明的基于激光增益突升的高峰值窄脉冲激光器的结构示意图。
图中：1、全反镜一，2、1/4波片，3、激光增益介质一，4、90度偏振旋转电光开关一，5、45度偏振片一，6、输出镜，7、90度偏振旋转电光开关二，8、45度偏振片二，9、激光增益介质二，10、全反镜二，11、泵浦源一，12、泵浦源二。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的基于激光增益突升的高峰值窄脉冲激光器，主要包括：全反镜一1、1/4波片2、激光增益介质一3、90度偏振旋转电光开关一4、45度偏振片一5、输出镜6、90度偏振旋转电光开关二7、45度偏振片二8、激光增益介质二9、全反镜二10、泵浦源一11和泵浦源二12。全反镜一1、1/4波片2、激光增益介质一3、90度偏振旋转电光开关一4、45度偏振片一5、输出镜6依次排列，通过45度偏振片一5的作用形成一条支路，支路中，45度偏振片一5、90度偏振旋转电光开关二7、45度偏振片二8、激光增益介质二9、全反镜二10依次排列。
泵浦源一11发出的泵浦光入射至激光增益介质一3，同时，泵浦源二12发出的泵浦光入射至激光增益介质二9。在泵浦开始时刻(激光开始泵浦时)，对90度偏振旋转电光开关一4施加半波电压，而90度偏振旋转电光开关二7不施加电压，此时全反镜一1、1/4波片2、45度偏振片一5和输出镜6组成激光器谐振腔，目的是为了使激光反转粒子数积累达到最大，激光增益介质一3的激光增益逐渐提高。
当激光反转粒子数积累达到最大时即激光增益介质一3的增益达到激光器谐振腔泵浦阈值时，瞬间将90度偏振旋转电光开关一4电压快速退到0，由于45度偏振片一5对水平P偏振光具有高透过作用、对垂直S偏振光具有高反射作用，使靠近输出镜6附近的偏振为水平P偏振，水平P偏振光依次经过45度偏振片一5高透、90度偏振旋转电光开关一4(由于90度偏振旋转电光开关一4的电压为0，水平P偏振光的偏振方向保持不变)、激光增益介质一3放大、1/4波片2作用后变成圆偏振光，圆偏振光依次经过全反镜一1反射、1/4波片2作用后变成垂直S偏振光，垂直S偏振光依次经过激光增益介质一3放大、90度偏振旋转电光开关一4(由于90度偏振旋转电光开关一4的电压为0，垂直S偏振光的偏振方向保持不变)、45度偏振片一5高反射作用后入射至由90度偏振旋转电光开关二7、45度偏振片二8、激光增益介质二9和全反镜二10组成的支路中。
在90度偏振旋转电光开关一4电压快速退到0的同时，对90度偏振旋转电光开关二7施加半波电压，经过45度偏振片一5高反射作用后的垂直S偏振光经过90度偏振旋转电光开关二7的旋转90度作用后变成水平P偏振光，水平P偏振光依次经过45度偏振片二8高透、激光增益介质二9放大、全反镜二10反射后，原光路返回，即经过全反镜二10反射的水平P偏振光依次经过激光增益介质二9放大、45度偏振片二8高透、90度偏振旋转电光开关二7的旋转90度作用后变成垂直S偏振光，垂直S偏振光经过45度偏振片一5高反射作用后返回由90度偏振旋转电光开关一4、激光增益介质一3、1/4波片2和全反镜一1组成的支路中。
此时垂直S偏振光经过未施加电压的90度偏振旋转电光开关一4后，偏振方向保持不变，垂直S偏振光依次经过激光增益介质一3放大、1/4波片2作用后变成圆偏振光，圆偏振光依次经过全反镜一1反射、1/4波片2作用后变成水平P偏振光，水平P偏振光依次经过激光增益介质一3放大、90度偏振旋转电光开关一4(由于90度偏振旋转电光开关一4的电压为0，水平P偏振光的偏振方向保持不变)、45度偏振片一5高透过作用后入射至由45度偏振片一5与输出镜6组成的支路中，水平P偏振光经过输出镜6反射再次进入45度偏振片一5，按照上述过程完成依次往返一周的循环，形成一次完整振荡过程，最终通过输出镜6输出高峰值窄脉冲激光。
在激光增益突变的瞬间，瞬间突升的激光增益为激光增益介质一3的增益与激光增益介质二9的增益之和，此时激光损耗近似于激光增益介质一3的增益，激光增益与损耗的差为激光增益介质二9的增益。通过调整激光增益介质二9的增益，可以改变激光增益与损耗的差值，实现更高能量的高峰值窄脉冲激光输出。
本实施方式中，全反镜一1表面镀有1064nm或946nm等激光输出波长完全反射膜；全反镜二10表面镀有1064nm或946nm等激光输出波长完全反射膜。本实施方式中，1/4波片2用于激光往返通过时将线偏光偏振方向90度旋转，可以将1/4波片2替换为45度法拉第旋转器，起到与1/4波片2相同的作用。
本实施方式中，激光增益介质一3可以采用Nd:YAG等各向同性晶体；激光增益介质二9可以采用Nd:YAG等各向同性晶体，Nd:YAG等各向同性晶体价格低廉。
本实施方式中，90度偏振旋转电光开关一4和90度偏振旋转电光开关二7的作用是：将线偏光偏振方向90度旋转，均可以采用LiNbO3、RTP或KD*P等，具有实现光路偏振方向主动控制的优点。
本实施方式中，45度偏振片一5和45度偏振片二8的作用都是对水平P偏振光高透、对垂直S偏振光高反，均可以采用格兰棱镜、布儒斯特片和PBS偏振分光棱镜等。
本实施方式中，输出镜6表面镀有1064nm等激光输出波长的部分反射膜，参数可变。
本实施方式中，泵浦源一11可以采用闪光灯或半导体侧面泵浦，可以是连续泵浦或者脉冲泵浦；泵浦源二12可以采用闪光灯或半导体侧面泵浦，可以是连续泵浦或者脉冲泵浦；
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.基于激光增益突升的高峰值窄脉冲激光器，其特征在于，包括：全反镜一(1)、1/4波片(2)、激光增益介质一(3)、90度偏振旋转电光开关一(4)、45度偏振片一(5)、输出镜(6)、90度偏振旋转电光开关二(7)、45度偏振片二(8)、激光增益介质二(9)、全反镜二(10)、泵浦源一(11)和泵浦源二(12)；
所述泵浦源一(11)和泵浦源二(12)发出的泵浦光分别入射至激光增益介质一(3)和激光增益介质二(9)；
在泵浦开始时刻，对90度偏振旋转电光开关一(4)施加半波电压，对90度偏振旋转电光开关二(7)不施加电压，直到激光增益介质一(3)的增益达到激光器谐振腔泵浦阈值时，将90度偏振旋转电光开关一(4)电压退到0，同时对90度偏振旋转电光开关二(7)施加半波电压；
通过45度偏振片一(5)的作用使靠近输出镜(6)的偏振为水平P偏振，水平P偏振光依次经45度偏振片一(5)高透、90度偏振旋转电光开关一(4)、激光增益介质一(3)放大、1/4波片(2)作用后变成圆偏振光，依次经全反镜一(1)反射、1/4波片(2)作用后变成垂直S偏振光，依次经激光增益介质一(3)放大、90度偏振旋转电光开关一(4)、45度偏振片一(5)高反射作用后入射至90度偏振旋转电光开关二(7)，经90度偏振旋转电光开关二(7)的旋转90度作用后变成水平P偏振光，依次经45度偏振片二(8)高透、激光增益介质二(9)放大、全反镜二(10)反射后入射至激光增益介质二(9)，依次经激光增益介质二(9)放大、45度偏振片二(8)高透、90度偏振旋转电光开关二(7)的旋转90度作用后变成垂直S偏振光，经45度偏振片一(5)高反射作用后入射至90度偏振旋转电光开关一(4)；
垂直S偏振光依次经90度偏振旋转电光开关一(4)、激光增益介质一(3)放大、1/4波片(2)作用后变成圆偏振光，依次经全反镜一(1)反射、1/4波片(2)作用后变成水平P偏振光，依次经激光增益介质一(3)放大、90度偏振旋转电光开关一(4)、45度偏振片一(5)高透过作用后入射至输出镜(6)，经输出镜(6)反射再次进入45度偏振片一(5)，按照上述过程完成一次完整振荡，最终通过输出镜(6)输出高峰值窄脉冲激光。
2.根据权利要求1所述的基于激光增益突升的高峰值窄脉冲激光器，其特征在于，在激光增益突变的瞬间，瞬间突升的激光增益为激光增益介质一(3)的增益与激光增益介质二(9)的增益之和，此时激光损耗近似于激光增益介质一(3)的增益，激光增益与损耗的差为激光增益介质二(9)的增益，通过调整激光增益介质二(9)的增益来改变激光增益与损耗的差值，实现更高能量的高峰值窄脉冲激光输出。
3.根据权利要求1所述的基于激光增益突升的高峰值窄脉冲激光器，其特征在于，所述全反镜一(1)和全反镜二(10)表面均镀有1064nm激光输出波长完全反射膜或946nm激光输出波长完全反射膜。
4.根据权利要求1所述的基于激光增益突升的高峰值窄脉冲激光器，其特征在于，将1/4波片(2)替换为45度法拉第旋转器，所述1/4波片(2)和45度法拉第旋转器均用于激光往返通过时将线偏光偏振方向90度旋转。
5.根据权利要求1所述的基于激光增益突升的高峰值窄脉冲激光器，其特征在于，所述激光增益介质一(3)和激光增益介质二(9)均采用Nd:YAG晶体。
6.根据权利要求1所述的基于激光增益突升的高峰值窄脉冲激光器，其特征在于，所述90度偏振旋转电光开关一(4)和90度偏振旋转电光开关二(7)用于实现线偏光偏振方向90度旋转，均采用LiNbO3、RTP或KD*P，具有实现光路偏振方向主动控制的优点。
7.根据权利要求1所述的基于激光增益突升的高峰值窄脉冲激光器，其特征在于，所述45度偏振片一(5)和45度偏振片二(8)的作用是对水平P偏振光高透、对垂直S偏振光高反，均采用格兰棱镜、布儒斯特片或PBS偏振分光棱镜。
8.根据权利要求1所述的基于激光增益突升的高峰值窄脉冲激光器，其特征在于，所述输出镜(6)表面镀有1064nm部分反射膜。
9.根据权利要求1所述的基于激光增益突升的高峰值窄脉冲激光器，其特征在于，所述泵浦源一(11)和泵浦源二(12)均采用闪光灯或半导体侧面泵浦。
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